水蒸發，能發電？Nature 子刊報道中國科學家的突破

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串聯裝置為液晶顯示屏供電。圖片來源：Nature Nanotech.

撰文 冰

水蒸發是生活中再常見不過的自然現象，水從周圍環境中吸收熱能，並從液態轉化為氣態，小學生們都能把這裡的原理講清楚。科學家們關注的更多，比如水蒸發這一現象背後的能量轉移過程，以及如何利用這種能量轉移。此前，已經有課題組將此現象應用於納米結構的合成（Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 1759）以及能量收集裝置的製作（Nat. Nanotech., 2014, 9, 137;Nat. Commun., 2015, 6, 7346）。日前，中國科學家在這一領域做出了新的突破。華中科技大學周軍教授和南京航空航天大學郭萬林教授領導的研究團隊發現，在納米結構的碳材料表面進行水蒸發，能夠產生電壓。他們藉助於廉價的碳黑片層材料，利用水蒸發可以在常溫條件下產生近1 V 的可持續電壓。相關研究成果於2017年1月30日發表於Nature Nanotechnology雜誌上。

周軍教授（左）和郭萬林教授（右）。圖片來源：華中科技大學、南京航天航空大學

研究人員首先將由多壁碳納米管製作的兩個電極印在石英基底上，接著通過簡單的乙醇火焰在兩電極之間生長上碳黑片層，再經退火和等離子體處理，最後經環氧樹脂包封，得到由兩個多壁碳納米管電極和碳黑片層組成的裝置。

裝置的製作過程。圖片來源：Nature Nanotech.

通過電鏡表徵可以看出，裝置中碳黑片層厚度約70 μm，由直徑約為20 nm的洋蔥狀的納米粒子組成。在高倍電鏡下可以看出這些粒子本質是鬆散堆積的無規則的石墨烯片，呈多孔性。而退火與等離子處理使得碳黑表面引入豐富的官能團，同時使其擁有親水性。

裝置的電鏡表徵圖。圖片來源：Nature Nanotech.

接著，研究人員將此裝置部分浸入到去離子水中，驚奇地發現在室溫條件下兩電極之間能產生開路電壓，並且逐漸升高到1 V。在長達8天的實驗中，該裝置的開路電壓能穩定維持住1 V 左右，短路電流在150 nA 左右。

研究人員進一步證實可持續電壓是由碳黑片層上的水蒸發引起的，並猜想產電機理是水分子與碳材料之間的相互作用，特別是蒸發引起的多孔碳膜中的水流。通過計算模擬、傅里葉變換紅外光譜、X 射線光電子能譜等實驗，研究人員發現退火與等離子處理引入的官能團對產電起到了關鍵作用。

利用水蒸發產電示意圖。圖片來源：Nature Nanotech.

後續，研究人員通過實驗證實了產電的機理，由於水的持續蒸發會引起水流入到多孔的碳黑片層中，即電解質溶液在帶電荷的絕緣表面流動，將會產生一種電動現象，科學家稱之為流動電位。

最後，研究人員通過搭建簡單的串聯裝置，能夠輕鬆地將輸出電壓提高到4.8 V，並成功地為液晶顯示屏供能。

研究人員提到，利用震動能、太陽能、風能、海洋能等發電，必須依賴於相應的複雜環境，而利用水蒸發能直接將室溫環境中的熱能轉化為電能。與傳統的利用外在壓力梯度、溫度梯度或是化學濃度梯度產生的流動電位相比，這種方法利用自然現象即可產電，而不需要外在的機械作用及能量輸入。

研究人員計劃將下來設計出更強的產電裝置，來完成諸如除菌、水純化及脫鹽的工作。

論文信息

【題目】Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials

【作者】Guobin Xue,Ying Xu,Tianpeng Ding,Jia Li,Jun Yin,Wenwen Fei,Yuanzhi Cao,Jin Yu, Longyan Yuan,Li Gong,Jian Chen,Shaozhi Deng,Jun Zhou& Wanlin Guo

【期刊】Nature Nanotechnology

【doi】10.1038/nnano.2016.300

【摘要】Water evaporation is a ubiquitous natural process1 that harvests thermal energy from the ambient environment. It has previously been utilized in a number of applications2, 3 including the synthesis of nanostructures4 and the creation of energy-harvesting devices5, 6. Here, we show that water evaporation from the surface of a variety of nanostructured carbon materials can be used to generate electricity. We find that evaporation from centimetre-sized carbon black sheets can reliably generate sustained voltages of up to 1?V under ambient conditions. The interaction between the water molecules and the carbon layers and moreover evaporation-induced water flow within the porous carbon sheets are thought to be key to the voltage generation. This approach to electricity generation is related to the traditional streaming potential7, which relies on driving ionic solutions through narrow gaps, and the recently reported method of moving ionic solutions across graphene surfaces8, 9, but as it exploits the natural process of evaporation and uses cheap carbon black it could offer advantages in the development of practical devices.

【論文地址】